Отделы артиллерии, взрывчатых веществ и физики бомбы

 

12.49. Вышеприведенный отчет о работе отделов теоретической физики, экспериментальной ядерной физики, химии и металлургии очень неполон, так как многие важные стороны этой работы не могут обсуждаться из соображений секретности. По этим же причинам ни одна из работ отделов артиллерии, взрывчатых веществ и физики бомбы не может обсуждаться вовсе.

 

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

 

12.50. Весной 1943 г. в Лос-Аламосе (Нью Мексике) была организована под руководством И.Р. Оппенгеймера новая лаборатория для исследования, конструирования и постройки атомной бомбы. В новой лаборатории были изучены теоретические вопросы конструкции бомбы и методов ее изготовления, были уточнены и расширены измерения необходимых ядерных постоянных, разработаны методы очистки используемых материалов и, наконец, спроектированы и построены пригодные к действию атомные бомбы.

 

 

Глава XIII. Заключение

 

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

 

13.1. В результате работы организаций Манхэттенского Округа в Вашингтоне и Тенесси, групп ученых в Беркли, Чикаго, Колумбии, Лос-Аламосе и в других местах, промышленных групп в Клинтоне, Хэнфорде и многих других местах, конец июня 1945 г. застает нас в ожидании сообщений со дня на день о взрыве первой атомной бомбы, изобретенной человеком. Все проблемы считаются разрешенными достаточно удовлетворительно, по крайней мере для того, чтобы бомба стала применимой на практике. Была доказана возможность самопроизвольной цепной реакции, обусловленной делением ядер нейтронами; было установлено, какие условия необходимы для того, чтобы такая реакция протекала в виде взрыва; эти условия могут быть осуществлены; промышленные установки нескольких различных типов уже работают, накопляя горы взрывчатого вещества. Хотя нам неизвестно, когда произойдет первый взрыв, и насколько эффективным он окажется, сообщение об этом событии будет предшествовать опубликованию данного отчета. Если даже первая попытка будет относительно не эффективной, то едва ли можно сомневаться, что последующие попытки дадут большой эффект; предполагают, что разрушения от одной бомбы будут сравнимы с разрушениями в результате мощного воздушного налета.

13.2. Создано оружие, по своему разрушительному действию превосходящее все, что можно себе вообразить; оружие, столь идеально приспособленное для внезапного мгновенного нападения, что крупнейшие города какой-либо страны могут быть в одну ночь уничтожены «дружественным» государством. Это оружие создано не дьявольским вдохновением какого-либо порочного гения, а самоотверженным трудом тысяч обыкновенных мужчин и женщин, работавших ради обеспечения безопасности своей родины. Многие из принципов, примененных здесь, были хорошо известны ученым во всем мире еще в 1940 году. Разработка нужных производственных процессов на основе этих принципов потребовала больших затрат времени, труда и денег, но выбранные процессы оказались действенными, так же, как оказались бы, вероятно, действенными и другие процессы, от которых мы отказались. Мы располагаем начальным преимуществом во времени, так как, насколько нам известно, другие страны не были в состоянии вести аналогичную работу в военное время. Мы обладаем также общим преимуществом в научных силах и особенно в промышленном развитии, но такое преимущество не является решающим.

13.3. До капитуляции Германии всегда существовала возможность того, что германские ученые и инженеры смогут создать атомные бомбы, которые окажутся достаточно эффективными, чтобы изменить ход войны. Поэтому, разумеется, ничего не оставалось, как работать над атомными бомбами в нашей стране. Вначале многие ученые могли надеяться и надеялись на то, что появится на свет какой-то принцип, согласно которому атомные бомбы по существу невозможны. Эта надежда постепенно исчезла. К счастью, в тот же период выявились огромные масштабы необходимых промышленных усилий, так что боязнь успехов немцев была ослаблена задолго до поражения Германии. По этой же причине большинство из нас убеждено, что японцы не смогут разработать и эффективно применить это оружие.

 

ПРОГНОЗЫ

 

13.4. Что касается будущего, можно догадываться, что техническое развитие пойдет по двум направлениям. С военной точки зрения вполне вероятно, что будут усовершенствованы как процессы производства испытывающих деление веществ, так и их применение. Возможно, что будут открыты совершенно иные методы превращения вещества в энергию, так как следует помнить, что энергия, освобождаемая при делении урана, соответствует использованию лишь около одной десятой процента его массы. Если бы была найдена схема превращения в энергию хотя бы нескольких процентов массы какого-либо распространенного вещества, цивилизованный мир получил бы способ добровольно покончить с собой.

13.5. Возможные применения атомной энергии не все разрушительны, и второе направление, по которому может итти техническое развитие, это мирный путь. Осенью 1944 года генерал Гроувз назначил комитет для изучения этих мирных возможностей, равно как и возможностей, имеющих военное значение [председатель д-р Р. Ч. Толмэн; контрадмирал Э. В. Миллс (Военно-Морской Флот США) со своим уполномоченным, капитаном Т. А. Сольбергом, д-р У. К. Льюис и д-р Г. Д. Смит]. Комитет получил множество предложений, главным образом по линиям использования атомной энергии в силовых установках и применения радиоактивных побочных продуктов для научных, медицинских и промышленных целей. Все считали, что в конечном счете может возникнуть большая промышленность, сравнимая, быть может, с промышленностью электронных приборов, но мнения расходились по вопросу о том, насколько быстро будет такая промышленность развиваться; наконец все пришли к единодушному выводу, что в течение многих лет развитие будет итти медленно. По крайней мере, нет никаких непосредственных перспектив приводить в движение автомобили при помощи атомной энергии или освещать дома радиоактивными лампами, хотя вполне вероятно, что применение атомной энергии для специальных целей можно было бы развить в течение десяти лет, и что большая доступность радиоактивных веществ сможет в тот же срок оказать глубокое влияние на научные исследования и, возможно, на лечение некоторых болезней.

 

ПЛАНИРОВАНИЕ НА БУДУЩЕЕ

 

13.6. Во время войны все усилия были сосредоточены на достижении максимальных военных результатов. С некоторых пор стало ясно, что в какой-то мере контроль и поддержка правительством работ в области ядерной энергии должны продолжаться после войны. Многие из лиц, связанных с Проектом, сознавали это и выступали с различными предложениями; некоторые предложения были рассмотрены комитетом Толмэна, хотя это был лишь временный консультативный комитет, подчиненный генералу Гроувзу. В настоящее время составлением планов для будущей организации занят Временный правительственный комитет. Этот комитет обсуждает также вопросы общеполитического значения, которые глубоко волновали вдумчивых людей с тех пор, как началась работа, особенно по мере того, как успех становился все более и более вероятным.

 

ВОПРОСЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПЕРЕД НАРОДОМ

 

13.7. Мы имеем дело со взрывчатым веществом, которое далеко еще несовершенно. Однако, грядущие возможности таких взрывчатых веществ ужасны, и их влияние на будущие войны и международные отношения необычайно велико. Перед нами новое орудие в руках человечества, орудие невообразимой разрушительной силы. Развитие этого орудия возбуждает многие вопросы, на которые надо ответить в недалеком будущем.

13.8. Вследствие ограничений, налагаемых требованиями сохранения военной тайны, нельзя было поставить такие вопросы на обсуждение народа или конгресса. Они серьезно изучались всеми участниками работы и бурно дебатировались учеными; о выводах, к которым пришли ученые, было сообщено высшим властям. Это не научно-технические вопросы, это политические и социальные вопросы, ответы на которые могут повлиять на многие поколения людей. Обдумывая ответы на них, люди, занимавшиеся Проектом, мыслили, как граждане Соединенных Штатов, существенно заинтересованные в благополучии всего человечества. Их обязанностью, как и обязанностью информированных высоко-ответственных правительственных чиновников, было смотреть за пределы нынешней войны и ее оружия и предвидеть возможные последствия этих открытий. Это тяжелая ответственность. В свободной стране, подобной нашей, такие вопросы должны обсуждаться народом, и решения должны быть им приняты через своих представителей. Это одна из причин опубликования настоящего отчета. Он является полуспециальным, и мы надеемся, что люди науки смогут воспользоваться им для того, чтобы помочь своим соотечественникам притти к разумным решениям. Наш народ, если ему предстоит благоразумно выполнить свой долг, должен быть информирован.

 

 

Приложение 1. Методы наблюдения быстрых частиц при ядерных реакциях

 

В главе I указывалось на значение ионизации в изучении радиоактивности и упоминалось об электроскопе. В настоящем приложении мы кратко остановимся на одном, уже не применяющемся методе, имеющем, как и электроскоп, только историческое значение. Затем мы перейдем к обзору различных методов, применяемых ныне для наблюдения α -частиц, β -частиц (или позитронов), γ -лучей и нейтронов, и их действий.

 

СЦИНТИЛЛЯЦИЯ

 

Ближе всего можно подойти к «видению» атома, если наблюдать яркие вспышки света, производимые α -частицей или быстро летящим протоном при их ударе о флуоресцирующий экран. Для этого необходимо только иметь кусочек стекла, покрытого сернистым цинком, микроскоп с небольшим увеличением, темную комнату, хорошо отдохнувшие глаза и, разумеется, источник α -частиц. Большая часть знаменитых опытов Резерфорда, включая и те, которые упоминались в параграфе 1.17, была связана с «подсчетом» сцинтилляций, но этот метод утомителен и, насколько нам известно, полностью вытеснен электрическими методами.

 

ПРОЦЕСС ИОНИЗАЦИИ

 

Когда быстрая заряженная частица (α -частица, или быстрый электрон) проходит через вещество, она разрушает молекулы, с которыми сталкивается, благодаря электрическим силам, действующим между заряженной частицей и электронами в молекуле. Если вещество газообразно, то образовавшиеся в результате столкновений осколки или ионы движутся в разные стороны в электрическом поле; электроны, выбитые из молекул, движутся в одном направлении, а оставшиеся положительные ионы — в другом. α -частица с энергией в миллион электрон-вольт произведет около 18 000 ионизованных атомов, прежде чем остановится, так как в среднем на каждое ионизующее столкновение она затрачивает энергию приблизительно в 60 вольт. Ввиду того, что в процессе ионизации образуются как положительные, так и отрицательные ионы, всего получается 36 000 зарядов, освобождаемых одним быстрым электроном. Так как каждый заряд составляет лишь 1, 6·10^-19 кулонов, общий заряд будет около 6·10^-15 кулонов — величина все же весьма малая. При помощи наилучшего гальванометра можно измерить заряд около 10–10 кулонов. Чувствительность электрометра может быть доведена примерно до 10^-16 кулонов, но электрометр — прибор, чрезвычайно неудобный для применения.

α -частица производит примерно такое же количество ионов, как и β -частица. Она быстрее останавливается, зато производит более значительное количество ионов на единицу длины пробега. γ -лучи в качестве ионизатора значительно менее эффективны. Благодаря комптоновскому рассеянию или фотоэлектрическому эффекту, γ -лучи вырывают из молекулы электрон, и эти вторичные электроны обладают достаточной энергией для того, чтобы вызывать ионизацию. Нейтрон, как говорилось выше, вызывает ионизацию лишь косвенно — осколками расщепляемых ядер или ядрами отдачи при упругих соударениях.

Если нам надо обнаружить ионизующее действие частиц, мы должны, очевидно, воспользоваться результирующим эффектом, вызываемым большим количеством этих частиц, или иметь очень чувствительные способы измерения электрических токов.

 

ЭЛЕКТРОСКОП

 

Электроскоп показывает, насколько непосредственно окружающий его воздух сделался электропроводным в результате образования в нем ионов.

Простейший электроскоп представляет собою золотой листочек длиной в несколько сантиметров, подвешенный на петле к вертикальному изолированному стержню. Когда стержень заряжается, золотой листочек, сложенный вдвое, получает тот же заряд, и оба его конца расходятся на некоторый угол вследствие отталкивания одноименных зарядов. По мере того, как заряд уменьшается, листочки постепенно опадают, и скорость их спадания является мерой проводимости окружающего воздуха.

Более надежный электроскоп был придуман К.К. Лауритсеном, который заменил золотой листочек кварцевой нитью. Вместо силы тяжести, в качестве восстанавливающей силы, он пользовался упругостью нити. Проводимость нити достигается тонким металлическим покрытием. Прибор заряжается, и нить, после первоначального отклонения, постепенно возвращается в исходное положение. Положение нити отмечается при помощи небольшого микроскопа.

Эти приборы могут изготовляться переносными, прочными и достаточно чувствительными. Они являются обычными стандартными приборами для определения интенсивности γ -излучения и, в частности, для предупреждения опасного облучения.

 

ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ

 

Ионизационная камера измеряет полное число произведенных в ней ионов. Она обычно состоит из двух плоских электродов, между которыми создается электрическое поле, достаточно сильное для того, чтобы притягивать к электродам все ионы прежде, чем они успеют рекомбинировать, но недостаточно сильное, чтобы производить вторичные ноны, как это имеет место в некоторых приборах, описанных ниже.

Применяя чувствительный усилитель, с помощью ионизационной камеры можно измерить даже ионизацию, вызываемую отдельной α -частицей. Ионизационная камера может применяться, подобно электроскопу, для измерения полной величины ионизации, происходящей за определенный промежуток времени.

 

ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ СЧЕТЧИКИ

 

Хотя с помощью ионизационной камеры и можно отмечать отдельные α -частицы, гораздо удобнее заставить возникающие первоначально ионы производить другие ионы в той же области электрического поля; от усилительного контура при этих условиях потребуется меньшая чувствительность.

В пропорциональном счетчике один из электродов представляет собой тонкую проволоку, натянутую по оси полого цилиндра, являющегося вторым электродом. Проволока создает вблизи себя сильное электрическое поле даже при сравнительно небольших разностях потенциалов между нею и другим электродом. Это сильное поле быстро ускоряет первичные ионы, образованные α - или β -частицей или фотоном, а эти ускоренные первичные ионы (в частности, электроны) производят в свою очередь вторичные ионы в газе, которым заполнен счетчик, так что импульс тока значительно увеличивается.

Такие счетчики можно сконструировать и применять так, чтобы общее число образовавшихся ионов было пропорционально числу первичных ионов. После усиления импульс тока можно наблюдать при помощи осциллографа; величина импульса будет пропорциональна ионизации, создаваемой первоначальной частицей. При таком способе весьма легко различать α -частицы, β -частицы и фотоны, а усилитель можно так конструировать, чтобы отсчитывать только импульсы, превосходящие заданную величину. Таким образом, пропорциональным счетчиком можно подсчитать α -частицы на фоне β -частиц, и даже можно регистрировать α -частицы, имеющие энергию, большую определенной величины.

 

СЧЕТЧИКИ ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА

 

Если в пропорциональном счетчике повышать напряжение, наступает момент, когда первичные ионы, получившиеся от одиночной α -частицы, β -частицы или фотона, не только умножат число первичных ионов в объеме своего образования, но и вызовут разряд во всем счетчике. Происходящее здесь явление напоминает действие спускового крючка огнестрельного оружия. Сила тока через счетчик не зависит от числа первично образовавшихся ионов; более того, ток продолжался бы бесконечно, если бы не были предприняты меры для его погашения. Погашение может быть достигнуто такой электрической схемой, в которой напряжение будет падать, как только пройдет ток; можно также для погашения тока пользоваться смесью газов в счетчике, которые «отравляют» поверхность электрода, как только происходит разряд, тем самым временно препятствуя дальнейшей эмиссии электронов. Можно комбинировать и оба метода. Счетчик Гейгера-Мюллера был построен раньше, чем пропорциальный счетчик, и остается самым чувствительным прибором для обнаружения ионизующего излучения, но все его функции сводятся к «подсчету» любого ионизующего излучения, проходящего через счетчик, будь то α -частицы, протоны, электроны или фотоны.